W 2005 roku Cotillard zagrała w melodramacie Kawalkada Steve’a Suissa, jako Alizée. Wystąpiła również w dramacie religijnym Maria Abela Ferrary u boku Foresta Whitakera i Juliette Binoche. Następną pojawiła się w podwójnej roli w obrazie Czarna skrzynka Richarda Berry’ego. Wystąpiła też w trzech innych filmach.

Rok 2006 przyniósł aktorce rolę w filmie Ridleya Scotta Dobry rok, w którym zagrała postać Fanny Chenal, właścicielki niewielkiej kawiarni w małej miejscowości w Prowansji. W filmie tym wystąpiła u boku takich aktorów jak Russell Crowe czy Abbie Cornish. Znalazła się też m.in. w obsadzie komedii Dikkenek posiadającej we Francji i Belgii status filmu kultowego.

2007–2010: Niczego nie żałuję – Edith Piaf i uznanie międzynarodowe Cotillard wybrana została do roli Édith Piaf w biograficznym filmie Niczego nie żałuję – Edith Piaf Oliviera Dahana, zanim jeszcze reżyser się z nią spotkał. Powiedział on, że zauważył podobieństwo w jej oczach do oczu Piaf. Obraz był jednym z najbardziej oczekiwanych filmów w 2007 roku we Francji. Jej rola była powszechnie chwalona, wybitny reżyser teatralny Trevor Nunn określił ją jako „jedną z najwybitniejszych kreacji w historii filmu”.